JP2017123249A - 固体高分子形燃料電池用セパレータ - Google Patents

Abstract

【課題】発電性能を向上させることができる。【解決手段】固体高分子形燃料電池用セパレータ３０は、膜電極接合体のガス拡散層に対向して配置される。セパレータ３０は、酸化ガス供給孔１３と、酸化ガス排出孔１５と、ガス拡散層に対向する対向面３１に形成され、酸化ガス供給孔１３側から酸化ガス排出孔１５側に向けて延在する複数のガス流路溝からなる溝群３４とを備えている。溝群３４は、ガス流路溝として、上流端３５１が酸化ガス供給孔１３に連通されるとともに下流端３５２が閉塞された単一のガス流入路溝３５と、上流端３６１が閉塞されるとともに下流端３６２が酸化ガス排出孔１５に連通された単一のガス流出路溝３６とを有している。ガス流路溝の延在方向Ｌと直交する仮想直線Ｖに対してガス流路溝が３箇所以上にて交わっている。【選択図】図７

Description

本発明は、固体高分子形燃料電池の膜電極接合体のガス拡散層に対向して配置されるセパレータに関する。

固体高分子形燃料電池のスタックは多数の発電セルを積層して構成されている。発電セルは、シート状の膜電極接合体と、膜電極接合体の両側にそれぞれ配置された一対のセパレータとを備えている。

膜電極接合体は、固体電解質膜と、固体電解質膜の両側にそれぞれ配置されたカソード側電極層及びアノード側電極層とを備えている。カソード電極層及びアノード電極層は、いずれも触媒層とガス拡散層とを有しており、カソード側及びアノード側のガス拡散層が上記一対のセパレータにそれぞれ対向している。

セパレータには、燃料ガスや酸化ガス（以下、反応ガス）の供給及び排出を行なうガス供給孔及びガス排出孔（ガスマニホールドとも称される。）がそれぞれ形成されている。また、セパレータにおけるガス拡散層に対向する対向面には、ガス供給孔側からガス排出孔側に向けて延在する複数のガス流路溝が形成されている（例えば特許文献１参照）。

特許文献１に記載のセパレータでは、同文献の図１に示すように、上流端がガス供給孔に連通されるとともに下流端が閉塞された供給用ガス流路溝と、上流端が閉塞されるとともに下流端がガス排出孔に連通された排出用ガス流路溝とが交互に形成されている。供給用ガス流路溝及び排出用ガス流路溝はいずれも全体が直線状に延びている。こうしたセパレータを備える発電セルにおいては、ガス供給孔から供給される反応ガスが供給用ガス流路溝を流通するとともにガス拡散層に流入して拡散されることにより発電に供される。また、発電に供されなかった残りの反応ガスはオフガスとしてガス拡散層から排出用ガス流路溝に流出し、ガス排出孔に排出される。こうしたセパレータによれば、反応ガスの拡散性が向上する。

特開２００５−１００８１３号公報

ところで、特許文献１に記載のセパレータでは、供給用ガス流路溝の数がガス流路溝の数（供給用ガス流路溝の数と排出用ガス流路溝の数との和）の略半分とされている。そのため、ガス供給孔に連通する入口部分の数が多くなることで、各ガス流路溝内の反応ガスの流速が遅くなりやすく、発電により生成された水（以下、生成水）がガス流路溝内に滞留しやすくなる。その結果、反応ガスの圧力損失が増大することとなり、発電性能を向上させる上で改善の余地を残すものとなっている。

本発明の目的は、発電性能を向上させることのできる固体高分子形燃料電池用セパレータを提供することにある。

上記目的を達成するための固体高分子形燃料電池用セパレータは、固体高分子形燃料電池の膜電極接合体のガス拡散層に対向して配置されるセパレータであって、ガス供給孔と、ガス排出孔と、前記ガス拡散層に対向する対向面に形成され、前記ガス供給孔側から前記ガス排出孔側に向けて延在する複数のガス流路溝からなる溝群とを備えており、前記溝群は、前記ガス流路溝として、上流端が前記ガス供給孔に連通されるとともに下流端が閉塞された単一のガス流入路溝と、上流端が閉塞されるとともに下流端が前記ガス排出孔に連通されたガス流出路溝とを有し、前記ガス流路溝の延在方向と交わる仮想直線に対して前記ガス流路溝が３箇所以上にて交わっている。

同構成によれば、溝群が単一のガス流入路溝を有しているため、ガス供給孔に連通する入口部分の数が１つとされる。これにより、従来構成に比べてガス流路溝の入口部分の数が減ることで、ガス流入路溝内の反応ガスの流速を速くすることができ、ガス拡散層における反応ガスの流速を速くすることができる。

また、上記構成によれば、ガス流路溝の延在方向と交わる仮想直線に対してガス流路溝が３箇所以上にて交わっているため、同延在方向におけるガス流路溝の長さを短くしつつガス流路溝全体の流路長を確保することができる。これにより、反応ガスの流速を速くしつつもガス流路溝に生成水を適度に滞留させることが可能となり、湿度を適切に維持することができる。

本発明によれば、発電性能を向上させることができる。

固体高分子形燃料電池用セパレータの一実施形態について、セパレータが適用された燃料電池を分解して示す分解斜視図。 カソード側のセパレータを示す斜視図。 カソード側のセパレータの対向面を示す斜視図。 アノード側のセパレータを示す斜視図。 フレームを示す斜視図。 （ａ）は図２の６ａ−６ａ線に沿った発電セルの断面構造を示す断面図、（ｂ）は膜電極接合体の断面構造を示す断面図。 カソード側のセパレータの対向面を示す平面図。 変形例におけるカソード側のセパレータの対向面を示す平面図。 他の変形例におけるカソード側のセパレータの対向面を示す平面図。 他の変形例におけるカソード側のセパレータの対向面を示す平面図。

以下、図１〜図７を参照して、一実施形態について説明する。
図１及び図６（ａ）に示すように、固体高分子形燃料電池（以下、燃料電池）のスタックは多数の発電セル１１を積層して構成されている。

発電セル１１は、いずれも長方形状をなすとともにシート状の膜電極接合体１２と、膜電極接合体１２の両側に配置された一対のセパレータ３０，４０とを備えている。一対のセパレータ３０，４０は、例えばチタンやステンレス鋼などの金属薄板をプレス成形することにより形成されている。

図６（ａ）に示すように、隣り合う発電セル１１のセパレータ３０，４０同士は当接されている。隣り合う発電セル１１の外周部同士の間には、電気絶縁材料により形成されたシール枠５０が介設されている。シール枠５０により発電セル１１の外周部同士の間がシールされるとともに外周部同士の間の間隔が保持されている。なお、膜電極接合体１２、セパレータ３０，４０及びシール枠５０の各々の厚さの相対的な関係は実際とは異なっている。

図１〜図６（ａ）に示すように、発電セル１１の膜電極接合体１２、セパレータ３０，４０及びシール枠５０には、酸化ガス供給孔１３、燃料ガス供給孔１４、酸化ガス排出孔１５、及び燃料ガス排出孔１６が貫設されている。酸化ガス供給孔１３と酸化ガス排出孔１５とは対角の位置に形成されている。燃料ガス供給孔１４と燃料ガス排出孔１６とは対角の位置に形成されている。本実施形態では、発電セル１１の長手方向の一端側に酸化ガス供給孔１３及び燃料ガス供給孔１４が形成されており、同長手方向の他端側に酸化ガス排出孔１５及び燃料ガス排出孔１６が形成されている。

＜膜電極接合体１２＞
図６（ｂ）に示すように、膜電極接合体１２は、固体電解質膜２１と、固体電解質膜２１の両側に配置されたカソード側電極層２２及びアノード側電極層２３とを備えている。カソード側電極層２２及びアノード側電極層２３は共に触媒層２４及びガス拡散層２５を有しており、カソード側及びアノード側のガス拡散層２５が一対のセパレータ３０，４０にそれぞれ対向して配置される。

＜カソード側のセパレータ３０＞
図２、図３及び図７に示すように、セパレータ３０のガス拡散層２５に対向する対向面３１には、酸化ガス供給孔１３に接続された４つの接続溝３２と、各接続溝３２の下流端が接続されたガス分配溝３３とが形成されている。ガス分配溝３３は、セパレータ３０の短手方向に沿って延在している。

また、対向面３１には、酸化ガス排出孔１５に接続された４つの接続溝３８と、各接続溝３８の上流端が接続されたガス集合溝３７とが形成されている。ガス集合溝３７は、セパレータ３０の短手方向に沿って延在している。

ガス分配溝３３とガス集合溝３７との間には、酸化ガス供給孔１３側から酸化ガス排出孔１５側に向けて延在する複数のガス流路溝からなる複数の溝群３４が形成されている。本実施形態では、３つの溝群３４がセパレータ３０の短手方向において並設されている。

溝群３４は、上記ガス流路溝として、単一のガス流入路溝３５と、単一のガス流出路溝３６とを有している。
図７に示すように、ガス流入路溝３５の上流端３５１は、ガス分配溝３３に接続され、接続溝３２及びガス分配溝３３を介して酸化ガス供給孔１３に連通されている。ガス流入路溝３５の下流端３５２は閉塞されている。また、ガス流入路溝３５は、その途中においてガス分配溝３３側に向けて折り返されている。

ガス流出路溝３６の下流端３６２は、ガス集合溝３７に接続され、ガス集合溝３７及び接続溝３８を介して酸化ガス排出孔１５に連通されている。ガス流出路溝３６の上流端３６１は閉塞されている。また、ガス流出路溝３６は、その途中においてガス集合溝３７側に向けて折り返されている。

ガス流入路溝３５は、ガス流出路溝３６の折り返された部分３６３を挟むようにして折り返されている。また、ガス流出路溝３６は、ガス流入路溝３５の折り返された部分３５３を挟むようにして折り返されている。したがって、溝群３４においては、ガス流路溝の延在方向Ｌ（セパレータ３０の長手方向）と直交する仮想直線Ｖに対してガス流路溝が４箇所にて交わっている。

＜アノード側のセパレータ４０＞
図１及び図４に示すように、アノード側のセパレータ４０は、カソード側のセパレータ３０と同一の形状を有している。ただし、図４に示すように、アノード側のセパレータ４０は、カソード側のセパレータ３０が裏返された姿勢（図３参照）で積層されている。したがって、アノード側のセパレータ４０の各部位については、カソード側のセパレータ３０の各部位（各孔１３〜１８を除く）の符号「３＊」に対して「１０」を加算した符号「４＊」を付すことにより説明を省略する。

＜シール枠５０＞
図１及び図５に示すように、シール枠５０には、いずれも３つからなる支持突部５１，５２が形成されており、これら支持突部５１，５２がカソード側のセパレータ３０の接続溝３２，３８の裏面に形成された突条３９の間にそれぞれ嵌合されることで突条３９を支持している。また、シール枠５０には、いずれも３つからなる支持突部５３，５４が形成されており、これら支持突部５１，５２がアノード側のセパレータ４０の接続溝４２，４８の裏面に形成された突条の間にそれぞれ嵌合されることで突条を支持している。

次に、燃料電池の基本的な作用について説明する。
例えば水素などの燃料ガスは、燃料ガス供給孔１４から接続溝４２及びガス分配溝４３を介して３つの溝群４４のガス流入路溝４５内にそれぞれ分配されて供給される。そして、燃料ガスは、膜電極接合体１２のアノード側のガス拡散層２５に流入して拡散されることでアノード側電極層２３の触媒層２４に供給される。

酸化ガスは、酸化ガス供給孔１３から接続溝３２及びガス分配溝３３を介して３つの溝群３４のガス流入路溝３５内にそれぞれ分配されて供給される。そして、酸化ガスは、膜電極接合体１２のカソード側のガス拡散層２５に流入して拡散されることでカソード側電極層２２の触媒層２４に供給される。

アノード側の触媒層２４では燃料ガスが水素イオンと電子に分解される。そして、水素イオンは固体電解質膜２１内を通って、電子は図示しない導線内を通って、カソード側電極層２２に移動する。

固体電解質膜２１内を通ってカソード側電極層２２に移動してきた水素イオンと、導線内を通って移動してきた電子とがカソード側の触媒層２４内において酸化ガス（酸素）と反応することにより水が生成される。このときの電気化学反応によって発電が行なわれる。

発電に供されなかった残りの燃料ガスは、燃料オフガスとしてアノード側のガス拡散層２５から各溝群４４のガス流出路溝４６内に流入し、ガス集合溝４７に集合された後に接続溝４８を介して燃料ガス排出孔１６に排出される。

発電に供されなかった残りの酸化ガスは、酸化オフガスとしてカソード側のガス拡散層２５から各溝群３４のガス流出路溝３６内に流入し、ガス集合溝３７に集合された後に接続溝３８を介して酸化ガス排出孔１５に排出される。

図示を省略するが、隣り合う発電セル１１のセパレータ３０，４０の間には、冷却水供給孔１７と冷却水排出孔１８とに接続されて冷却水供給孔１７から供給される冷却水を冷却水排出孔１８に向けて流すための流路が形成されている。

以上説明した本実施形態に係る固体高分子形燃料電池用セパレータによれば、以下に示す作用効果が得られるようになる。
（１）溝群３４は、ガス流路溝として、上流端３５１が酸化ガス供給孔１３に連通されるとともに下流端３５２が閉塞された単一のガス流入路溝３５と、上流端３６１が閉塞されるとともに下流端３６２が酸化ガス排出孔１５に連通されたガス流出路溝３６とを有している。ガス流路溝の延在方向Ｌと直交する仮想直線Ｖに対してガス流路溝が３箇所以上にて交わっている。

こうした構成によれば、各溝群３４が単一のガス流入路溝３５を有しているため、酸化ガス供給孔１３に連通する入口部分の数が溝群３４につき１つとされる。これにより、従来構成に比べてガス流路溝の入口部分の数が減ることで、ガス流入路溝３５内の酸化ガスの流速を速くすることができ、ガス拡散層２５における酸化ガスの流速を速くすることができる。また、同様にして、ガス流入路溝４５内の燃料ガスの流速を速くすることができ、ガス拡散層２５における燃料ガスの流速を速くすることができる。

また、上記構成によれば、ガス流路溝の延在方向Ｌと直交する仮想直線Ｖに対して各溝群３４を構成するガス流路溝が３箇所以上にて交わっているため、同延在方向Ｌにおけるガス流路溝の長さを短くしつつガス流路溝全体の流路長を確保することができる。これにより、酸化ガスの流速を速くしつつもガス流路溝に生成水Ｗを適度に滞留させることが可能となり、湿度を適切に維持することができる。

したがって、発電性能を向上させることができる。
（２）セパレータ３０は複数の溝群３４を備えている。
セパレータ３０に溝群３４が１つだけ形成されている場合には、ガス流入路溝３５の上流端３５１、すなわち酸化ガス供給孔１３に連通する入口部分が１箇所だけとなる。そのため、ガス流路溝の数を多くしすぎると、かえってガス流路溝内における酸化ガスの流速が遅くなり、ガス流路溝内に滞留する生成水が多くなおそれがある。その結果、発電性能を低下させるおそれがある。

この点、上記構成によれば、セパレータ３０が複数の溝群３４を備えているため、溝群３４の数に比例してガス流入路溝３５の数を増やすことができる。このため、ガス流路溝内における酸化ガスの流速が遅くなることや、ガス流路溝内に滞留する生成水が多くなることを抑制できる。したがって、発電性能の低下を抑制することができる。

（３）対向面３１には、複数の溝群３４におけるガス流入路溝３５の上流端３５１の各々と酸化ガス供給孔１３との間に、酸化ガス供給孔１３からの酸化ガスを上流端３５１の各々に分配する共通のガス分配溝３３が形成されている。また、対向面３１には、複数の溝群３４におけるガス流出路溝３６の下流端３６２の各々と酸化ガス排出孔１５との間に、下流端３６２の各々からのガスを集合させて酸化ガス排出孔１５に排出する共通のガス集合溝３７が形成されている。

こうした構成によれば、酸化ガス供給孔１３から供給される酸化ガスが、まずは各溝群３４に共通のガス分配溝３３に導入され、その後、ガス分配溝３３から各溝群３４のガス流入路溝３５に導入される。

また、各溝群３４のガス流出路溝３６から排出される酸化ガスが、各溝群３４に共通のガス集合溝３７に排出され、その後、ガス集合溝３７から酸化ガス排出孔１５に排出される。

このため、ガス流入路溝３５の上流端３５１を酸化ガス供給孔１３に直接連通させる構成や、ガス流出路溝３６の下流端３６２を酸化ガス排出孔１５に直接連通させる構成に比べて、流路の構造が簡単となり、セパレータ３０を小型化することができる。

（４）ガス流入路溝３５及びガス流出路溝３６がそれらの途中において折り返されている。ガス流入路溝３５が、ガス流出路溝３６の折り返された部分３６３を挟むようにして折り返されている。

こうした構成によれば、ガス流入路溝３５の屈曲部分や下流端３５２、ガス流出路溝３６の屈曲部分や上流端３６１に生成水Ｗを積極的に滞留させることができる。これにより、溝群３４の広い範囲にわたって生成水Ｗを滞留させるで湿度を適切に維持することができる。

＜変形例＞
なお、上記実施形態は、例えば以下のように変更することもできる。
・図８に示すように、溝群３４が、ガス流路溝として、ガス流入路溝３５と、ガス流出路溝３６と、これらガス流入路溝３５とガス流出路溝３６との間に位置し、上流端及び下流端の双方が閉塞された２つの中継路溝１３１とを備えるものであってもよい。ガス流入路溝３５はその全体が延在方向Ｌに沿って延びており、ガス流出路溝３６はその全体が延在方向Ｌに沿って延びている。また、各中継路溝１３１はその全体が延在方向Ｌに沿って延びている。この場合、ガス流入路溝３５からカソード側のガス拡散層２５内に流入して拡散された酸化ガスの一部が中継路溝１３１に流出し、中継路溝１３１に沿って流れるとともに再びガス拡散層２５内に流入して拡散される。このため、ガス流入路溝３５の下流端３５２やガス流出路溝３６の上流端３６１に加えて、中継路溝１３１にも生成水Ｗを滞留させることができる。これにより、溝群３４の広い範囲にわたって生成水Ｗを滞留させるで湿度を適切に維持することができる。なお、中継路溝１３１は１つでもよいし、３つ以上であってもよい。また、アノード側のセパレータ４０についても同様な変更を行なうことができる。

・図９に示すように、ガス流入路溝３５の折り返された部分３５３及びガス流出路溝３６の折り返された部分３６３を互いに挟まれないように形成することもできる。また、アノード側のセパレータ４０についても同様な変更を行なうことができる。

・図１０に示すように、上記実施形態において例示したガス流入路溝３５と、図８において例示したガス流出路溝３６とによって溝群３４を構成することもできる。また、アノード側のセパレータ４０についても同様な変更を行なうことができる。

・セパレータ３０，４０はプレス成形された金属薄板からなるものに限定されず、切削加工されたカーボン板からなるものであってもよい。
・ガス分配溝３３を省略し、ガス流入路溝３５の上流端３５１を酸化ガス供給孔１３に直接連通してもよい。ガス集合溝３７を省略し、ガス流出路溝３６の下流端３６２を酸化ガス排出孔１５に直接連通してもよい。また、アノード側のセパレータ４０についても同様な変更を行なうことができる。

・溝群３４，４４を１つにすることもできる。

１１…発電セル、１２…膜電極接合体、１３…酸化ガス供給孔、１４…燃料ガス供給孔、１５…酸化ガス排出孔、１６…燃料ガス排出孔、１７…冷却水供給孔、１８…冷却水排出孔、２１…固体電解質膜、２２…カソード側電極層、２３…アノード側電極層、２４…触媒層、２５…ガス拡散層、３０…セパレータ、３１…対向面、３２…接続溝、３３…ガス分配溝、３４…溝群、３５…ガス流入路溝、３５１…上流端、３５２…下流端、３５３…折り返された部分、３６…ガス流出路溝、３６１…上流端、３６２…下流端、３６３…折り返された部分、３７…ガス集合溝、３８…接続溝、３９…突条、４０…セパレータ、４１…対向面、４２…接続溝、４３…ガス分配溝、４４…溝群、４５…ガス流入路溝、４６…ガス流出路溝、４７…ガス集合溝、４８…接続溝、５０…シール枠、５１〜５４…支持突部、１３１…中継路溝。

Claims (9)

1. 固体高分子形燃料電池の膜電極接合体のガス拡散層に対向して配置されるセパレータであって、
   ガス供給孔と、
   ガス排出孔と、
   前記ガス拡散層に対向する対向面に形成され、前記ガス供給孔側から前記ガス排出孔側に向けて延在する複数のガス流路溝からなる溝群とを備えており、
   前記溝群は、前記ガス流路溝として、上流端が前記ガス供給孔に連通されるとともに下流端が閉塞された単一のガス流入路溝と、上流端が閉塞されるとともに下流端が前記ガス排出孔に連通されたガス流出路溝とを有し、前記ガス流路溝の延在方向と交わる仮想直線に対して前記ガス流路溝が３箇所以上にて交わっている、
   固体高分子形燃料電池用セパレータ。
2. 複数の前記溝群を備えている、
   請求項１に記載の固体高分子形燃料電池用セパレータ。
3. 前記対向面には、複数の前記溝群における前記ガス流入路溝の上流端の各々と前記ガス供給孔との間に、前記ガス供給孔からの反応ガスを前記上流端の各々に分配する共通のガス分配溝が形成されており、
   前記対向面には、複数の前記溝群における前記ガス流出路溝の下流端の各々と前記ガス排出孔との間に、前記下流端の各々からの反応ガスを集合させて前記ガス排出孔に排出する共通のガス集合溝が形成されている、
   請求項２に記載の固体高分子形燃料電池用セパレータ。
4. 前記ガス流入路溝がその途中において折り返されている、
   請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の固体高分子形燃料電池用セパレータ。
5. 前記ガス流入路溝全体が前記延在方向に沿って延びている、
   請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の固体高分子形燃料電池用セパレータ。
6. 前記ガス流出路溝がその途中において折り返されている、
   請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載の固体高分子形燃料電池用セパレータ。
7. 前記ガス流入路溝が、前記ガス流出路溝の折り返された部分を挟むようにして折り返されている、
   請求項６に記載の固体高分子形燃料電池用セパレータ。
8. 前記ガス流出路溝全体が前記延在方向に沿って延びている、
   請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載の固体高分子形燃料電池用セパレータ。
9. 前記溝群は、前記ガス流路溝として、前記ガス流入路溝と前記ガス流出路溝との間に位置し、上流端及び下流端の双方が閉塞された中継路溝を備えている、
   請求項１〜請求項８のいずれか一項に記載の固体高分子形燃料電池用セパレータ。

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